（电气工程专业论文）包钢热电厂综合自动化控制的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 为了更好地根据用电负荷的需求变化，及时准确地对包钢热电厂的锅炉、汽轮 机、发电机进行监视、调节和控制，同时也为了节约用煤，降低成本，经过可行性 研究，决定将4 # 、8 # 、9 # 燃煤锅炉改造成纯烧高炉煤气锅炉，回收在生产过程中大 量放散的高炉煤气。另外，为了保证安全生产，降低劳动强度，在4 # 、8 # 、9 # 锅炉 主体改造的同时，对控制系统也进行改造。 热电厂综合自动化控制系统是一个复杂、多变量、滞后的系统，锅炉、汽轮机、 发电机控制对象的动态特性对负荷控制系统的设计十分重要，根据锅炉、汽轮机、 发电机的动态特性，比较各种控制方案的优缺点，对锅炉汽水系统、燃烧系统控制 回路进行设计，研究了热电厂综合自动化控制系统的设计思想。本文所设计的热电 厂综合自动化计算机控制系统已经在包头钢铁( 集团) 公司投入使用，取得了满意 的效果。 关键词：热电厂，综合自动化，控制，研究 a b s t r a c t b yap r a c t i c a lr e s e a r c h ，o u rc o m p a n yd e c i d e st oi m p r o v en o 4 ，n o 8a n dn o 9 c o a l - b u r n i n gb o i l e r si n t og a s - b u r n i n gb o i l e r si no r d e rt or e c y c l ea n dr e s u m eal a r g e a m o u n to fg a sw h i c hi sg i v e no f ff r o mb l a s tf u m a c e ，t h e r e b ys a v et h ec o a la n dr e d u c e t h ec o s t m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt op o w e rd e m a n dc h a n g e ，t h es y s t e mc a l lm o n i t o r ， r e g u l a ra n dc o n t r o lt h eb o i l e r s ，t h es t e a mt u r b i n e sa n dt h ep o w e rg e n e r a t o r se x a c t l yi n t h ep l a n t i na d d i t i o n ，f o rs a f ep r o d u c ea n dr e d u c ew o r ki n t e n s i t y ，t h ec o n t r o ls y s t e mi s a l s oi m p r o v e dw h i l en o 4 ，n o 8a n dn o 9b o i l e r sm a i nb o d i e sa r ei m p r o v e d i nt h e r m a lp o w e rp l a n t ，t h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa c o m p l i c a t e ，m u l t i v a r i o u sa n dl a g g i n gs y s t e m i t sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nt h el o a d c o n t r o ls y s t e m c o m p a r i n gd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g y ，w ed e s i g nb o i l e rs t e a ma n d b u r n i n gs y s t e mc o n t r o ll o o pa n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g nt h i n k i n gf o rt h ec o m p r e h e n s i v e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nt h et h e r m a lp l a n t t h i ss y s t e mh a sc o m ei n t or u n n i n ga n d t h ee f f e c ti ss a t i s f a c t o r y q is o n g ( e l e c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yh u a n g j i ad o n g k e yw o r d s ：t h e r m a lp o w e r p l a n t ，c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o n ，s t u d y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢热电厂综合自动化控制的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期： 华北电力大学工程硕士学位论文 己l皇 丁- 日 本章首先概述了热电厂主要设备及其控制系统。然后，提出了本文所研究课题 的背景、意义和国内外其它同类技术改造情况。最后简要介绍了本论文要做的主要 工作。 1 1 热电厂主要设备系统概述 热电厂主要设备包括：发电机、汽轮机、鼓风机、锅炉及制粉设备、除盐水设 备等。发电机是将汽轮机的机械能转化成电能的设备；汽轮机是由锅炉送出的蒸汽 推动的动力设备；鼓风机这里指由汽轮机带动的高炉鼓风机；锅炉是利用燃料燃烧 时放出的热量或工业生产的余热来加热水生产蒸汽的设备。锅炉通常是指“锅”、 “炉 以及配套的附属设备( 包括自动化系统) 。“锅是指锅炉接受热量，并将热 量传递给水的受热面系统，它的作用是把水加热成一定温度和压力的蒸汽( 蒸汽锅 炉) 。其主要部件包括：锅筒、集箱、水冷壁、对流管束、过热器和省煤器等。“炉” 是指燃料燃烧产生高温烟气，将化学能转变为热能的空间和烟气流通的炉膛和烟 道，其主要部件包括；燃烧设备、炉墙和烟道等。 图1 1 锅炉设备主要工艺流程图 由于锅炉设备所使用的燃料种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求 的不同，锅炉有各种各样的流程。常见的锅炉设备主要工艺流程图如图i i 所示。 由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。 华北电力大学工程硕士学位论文 燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱 和蒸汽d s ，然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽d ，汇集至蒸汽母管。压力为 p m 的过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产 生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器 预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。 锅炉生产过程是复杂的，有多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的 干扰参数。这些参数的相互作用、相互影响如图1 2 所示。 给水量 减温水 燃科量 送风量 引风量 一次风 锅炉设备 图1 2 锅炉输入输出参数相互影响示意图 汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 烟气含氧量 炉膛负压 蒸汽_ ；：氚量 图1 2 中可以看出，锅炉设备主要输入变量是负荷、给水量、燃料量、减温水 量、送风量和引风量等。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉 膛负压、过剩空气( 烟气氧含量) 等。这些输入与输出变量之间相互关联。如果蒸 汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量 的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉 膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有 影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化等。所以 锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象心1 。 1 2本论文选题的背景及意义 目前，包钢已具备年产1 0 0 0 万吨钢的生产规模，六座高炉全年平均煤气发生 量为1 4 8 1 0 4 m 3 h ，平均放散2 6 1 0 4 m 3 h 左右，同时炼钢转炉煤气尚未全部回收， 大量的煤气放散，造成能源浪费，并且污染环境。为了使这部分能源充分得至f 回收 利用，减少煤气放散，公司提出：高炉煤气作为锅炉燃料加以利用。将原燃煤锅炉 改造成纯烧高炉煤气锅炉，先将4 # 原设计为燃煤的1 3 0 t h 锅炉改造成纯烧高炉燥 2 华北电力大学工程硕士学位论文 气的锅炉，然后再将8 # 、9 # 原设计为燃煤的2 2 0 t h 锅炉改造成纯烧高炉煤气的锅 炉。 4 # 锅炉为武汉锅炉厂制造的w g z 一1 3 0 3 9 1 型固体排渣煤粉锅炉，该锅炉于 1 9 7 8 年主体设备安装完毕，放置至1 9 8 7 年恢复建设，于当年调试投产。4 # 锅炉计 量仪表从1 9 8 7 年投入运行，至今已使用多年，中间虽然进行过中、小修，但仪表仍 严重老化，精度、准确度都满足不了生产的需求。 4 # 锅炉的改造，标志着包钢在节约燃料煤、充分利用高炉煤气和保护大气环境 以及改善工作环境方面迈上了一个新台阶，为后序其它燃煤锅炉改造成为纯烧高炉 煤气锅炉奠定了基础。 1 3 国内外其它同类型技术改造情况 首钢率先建成2 2 0 t h 纯烧高炉煤气锅炉，随后攀钢建成同样型号锅炉一台。 2 0 0 1 年马鞍山钢铁公司热电厂建成较先进的2 2 0 t h 纯烧高炉煤气锅炉。其它钢厂 大都是掺烧或小型纯烧，其技术、工艺较为落后。就改造锅炉而言，包钢由烧煤粉 炉改造改造成纯烧高炉煤气锅炉，在全国的较大锅炉中尚属于首例。其改造范围之 大，集各大企业的掺烧或纯烧高炉煤气锅炉的技术精华为一体，计算机硬件配置优 化、软件设计全面、采用自动点火装置和f s s s 系统。一般烧煤气锅炉热效率是降 低幅度较大的，而包钢应用w m q 使锅炉热效率较原设计降低较小，特别是无水冷壁 冷却绝热式燃烧室，实属较大锅炉中一种新的尝试。无论在设备购置、改造施工、 生产调试都处于国内同类改造领先水平。 1 4 本文的主要内容 1 介绍热电厂综合自动化系统的构成及控制策略，改烧高炉煤气的锅炉本体 和辅助设备的改造。 2 对技术资料和图纸进行分析，介绍锅炉的系统结构和工作原理，完成计算 机控制系统的控制方案设计。 3 汽水系统的控制。 4 燃烧系统的控制。 5 热电厂综合自动控制系统的调试。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章发电锅炉改造的主要内容 工业锅炉效率较低，主要是因为燃烧损失大、漏风多、排烟温度高。为了提高 锅炉的热效率，首先要组织好燃料，使送风量适度，维持适当的炉膛空气过剩系数 a ，并使空气和燃料有良好的混合条件，确保充分燃烧；其次炉膛的受热面要适当； 再次炉膛要有一定的容积和高度。本章主要叙述了4 # 锅炉与控制系统关系密切装置 的改造情况 2 1 锅炉的主要参数表 2 1 1 改造前4 # 锅炉的设计参数见表2 1 表2 1 锅炉设计参数 额定蒸发量 额定蒸汽压 额定蒸汽锅炉给水燃料燃料消耗排灰量 ( t h )力( m p a )温度( )温度( )品种 量( t h )( t h ) 1 3 0。3 8 24 5 01 0 4 混合煤 2 6 78 2 1 2 改造后4 # 锅炉的设计参数见表2 2 表2 2 锅炉改造后的参数 额定蒸发量 额定蒸汽压额定蒸汽温 锅炉给水量燃料燃料消耗锅炉设计 ( t h )力( m p a )度( ) ( ) 品种 量( n m 3 h )效率( ) 1 0 0 3 8 2 4 5 01 0 4 高炉煤气 9 7 1 7 08 6 1 2 2 燃料特性 2 2 1 高炉煤气的特性 高炉煤气是炼铁过程中产生的一种废气，其组成成分中不可燃气体( n 2 、c 0 2 等) 占大部分，且可燃成分主要为c 0 ，参见表2 3 ，因而它的低位发热值极低，一般情 况下，其发热值仅为2 9 3 0 k j n m 3 - 3 5 5 0 k j n m 3 。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 3 高炉煤气特性 名称 c o c 0 2 h 2n 2c h 4 热值k j n m 3 成分( ) 2 5 11 6 91 75 6 0 40 2 63 4 5 3 由于高炉煤气中含有大量的不可燃气体，可燃气体少，每立方米煤气燃烧时参 与其燃烧的空气也少，但要产生一定量的热量，所需要的煤气量就要大，每吨蒸汽 产生的烟气为燃煤锅炉烟气量的1 7 倍。 高炉煤气中的可燃成分主要为c o ，混合气中的c o 浓度及着火环境是决定高炉 煤气的着火温度的两要素；实验证实高炉煤气与空气的混合气中高炉煤气的着火浓 度3 5 - - 7 1 ，着火温度为5 3 0 * ( 2 6 6 0 ，这种着火条件要求较高，但因其燃烧为 气气单相化学反应，只要技术措施正确，燃烧效率也能达到满意程度。 2 2 2 高炉煤气的着火 1 合适的热风温度 由于煤气的着火温度较高，有关研究表明，当煤气与空气的混合气从室温升高 到着火温度所吸收的热量占煤气总放出的热量的3 7 左右，因而提高入口混合气的 温度，使混合气的温度及早地升高到着火温度，能使煤气及早地着火。 提高混合气的温度有两种方法：一是采用较高的高炉煤气温度；二是采用较高 的空气温度。 2 火焰的稳定 火焰的不稳定是因混合气体速度超过某一值而引起的，适当降低燃烧道内的烟 气流速可大大降低燃烧器前的压力，因而入口煤气的压力可较低。旋流式燃烧器是 一较好的方法，气流的旋流强度越大，其回流区越大，火焰稳定性越好。卷吸烟气 的温度越高，火焰的稳定性越好。 3 燃烧器强烈的气气混合 高炉煤气的燃烧为扩散燃烧。每立方米煤气完全燃烧所消耗的空气量少，量少 的空气要在短时间内穿透量大的煤气，及早地使混合气体达到着火浓度是比较困难 的，因而在燃烧器的预混段加强煤气与空气的混合有着现实的意义。在燃烧器的出 口设置一旋流度不算大的旋流叶轮，配合空气侧的旋流叶片，使煤气和空气在出口 处充分混合，实践证明在燃烧器出口7 0 r a m 的距离内煤气就可混合好。这种设计， 使气气及时达到着火浓度，且不易堵灰，即使堵，其清理也较容易。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 锅炉改造的具体内容 锅炉改造本着锅炉本体不作大改动的原则，以及改造后对锅炉性能的要求，经 反复计算，决定锅炉外形尺寸不变，为适应燃烧高炉煤气，其内部结构和尺寸相应 变化。 2 3 1 燃烧设备 热风总管道从高温段预热器引出后在炉膛前后分为两路通过9 个燃烧器将热风 送入炉膛。将原煤粉燃烧器和相应的除渣设备拆除，在绝热炉室的1 5 m 标高处， 前墙布置5 个高炉煤气燃烧器，后墙布置4 个高炉煤气燃烧器，9 个燃烧器水平布 置，中心标高为1 5 m 。高炉煤气管道接口为d n 4 5 0 ，燃烧器热风管道接口为d n 5 0 0 。 在燃烧器下部布置焦炉煤气管道，接口为d n 6 5 ，燃烧器水平端头留有点火孔，点火 使用焦炉煤气。采用高能电子点火器，就地自动点火。 2 3 2安全装置 原1 3 0t h 锅炉带两个冲量安全装置，经计算排放量不够，无法保证安全生产， 为此需增加一个p n i od n l 5 0 的弹簧安全阀。由于锅筒不改造，此安全阀安装在高 温过热器出口集箱上部。 考虑到是燃气锅炉，为确保锅炉安全运行，锅炉配备熄火保护装置，新增加了 8 个防爆门装置。 2 3 3仪控部分 l - 炉膛安全保护系统 锅炉炉膛安全系统选用的是f s s s 安全保护系统。本系统具有两大功能：一是 在锅炉启动、运行、增减负荷及停炉操作时，连续、密切地监视燃烧系统有关安全 的热工参数和实时运行工况，根据预定的有关防爆规范规定的安全条件，不断地进 行逻辑判断和运算，使燃烧设备严格按照既定的合理程序完成必要的操作或处理未 遂事故，防止在锅炉运行各阶段爆炸性混合物在炉膛内的积聚，防止炉膛爆燃、爆 炸事故的发生。二是进行锅炉在启动、运行中的点火操作，降低运行人员的劳动强 度，提高锅炉运行的效率。 整个f s s s 系统从功能上分为程控点火和灭火保护两大部分口儿射。 ( 1 ) 程控点火 主要实现运行人员能通过简单的操作就可在就地实现自动点火。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 灭火保护 在运行过程中实时监测锅炉的燃烧情况，当出现危险工况时，自动切断燃料。 同时，将灭火跳闸的首出原因自动记录下来，以便于事故原因的调查。 与锅炉运行安全性有关的条件进入p l c 进行自动运算，一旦产生危险工况，即 刻执行主燃料跳阐功能。主燃料跳闸功能是当下述条件有一个满足时，送出跳闸信 号切断燃烧，并发出热工报警，以达到保护锅炉安全生产等目的。灭火保护的条 件如下： 汽包水位高：开关量输入，为保证可靠性，采用三重冗余信号，通过软件三取 二运算作为汽包水位高的跳闸信号。 汽包水位低：同汽包水位高。 炉膛负压高：压力开关测量来自炉膛的压力采样，产生三个开关量信号，为保 障可靠性，信号在p l c 中经过三取二的运算后才作为炉膛压力高的跳闸信号。 炉膛负压低：同炉膛压力高。 煤气压力低：煤气压力低信号体现燃料供应，可简单认为燃料不足，对燃烧产 生不安全影响，当煤气压力持续低时，产生跳闸信号。 送风机跳闸：当送风机跳闸，锅炉停炉。 引风机跳闸：当引风机跳闸，锅炉停炉。 炉膛灭火：由于炉膛燃烧器为前后墙对冲式布置，所以火焰信号为前墙先进行 五取三运算，后墙进行四取二运算合起来才作为炉膛灭火信号进行跳闸动作。 手动主燃料跳闸( m f t ) ：硬接线接入系统，在运行人员认为需要的时候进行手 动跳闸。 灭火保护系统在危险工况时自动停炉，并且将引起停炉的首出原因自动记录下 来，以利于对事故的原因进行分析。直到操作员进行复归操作才清除上一次停炉的 首出记忆。 2 火焰检测系统 y h i d d - i i u 型红外动态火焰检测器采用的是火焰波动检测原理，利用初始燃烧 区的火焰亮度和闪烁频率来判断火焰的真实存在。 3 炉膛负压检测系统 炉膛负压检测也包含在系统中，采用了六台美国的压力控制器。压力控制器( 压 力开关) 安装在就地，通过硬接线接入集控机柜。 4 彩色无笔记录仪 为了保证锅炉在计算机发生故障时仍能安全稳定运行，选用了两台1 2 通道无 笔记录仪。 5 增加了给水自动控制、燃烧自动控制、炉膛负压控制、减温水自动控制， 关于控制系统的具体内容将在第三章详细介绍。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章自动控制的任务及其动态特性分析 自动控制系统是针对控制对象工作的。为了做到有的放矢，必须了解对象的特 性，包括静态特性和动态特性。本章重点对锅炉汽包水位控制对象的特性和锅炉燃 烧系统控制对象的特性进行分析，为控制系统的进一步设计作必要的准备。 3 1 控制的任务与要求 锅炉控制主要是满足锅炉的经济型燃烧、保证设备的安全运行、快速适应负荷 的变化等要求。随着锅炉自动化的发展，控制的信息化也成为工业锅炉控制的一项 任务。锅炉自动控制的具体任务有： 3 1 1 锅炉汽包水位的监视、控制、报警与保护 汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持水位在一 定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为水位过高会影响汽包内汽水分 离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水过多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起 轴封破损，叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质， 增加在过热器管壁的结垢，影响运行的安全性与经济性。相反，水位过低容易会使 汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。 3 1 2 汽包压力的监测、控制、报警与保护 维持蒸汽母管压力不变，这是燃烧过程自动控制的第一项任务。如果蒸汽压力 变了，就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量不相适应，因此，必须改 变燃料量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的蒸发量，恢复蒸汽母管压力 为额定值。 3 1 3 送风量的监测、控制 维护锅炉燃烧过程的最佳状态和经济性是锅炉燃烧过程自动控制的第二项任 务。而燃烧的经济性指标难于直接测量，常用锅炉烟气中的含氧量，或者燃料量与 送风量的比值来表示。如果能够恰当地保持燃料量与空气量正确比值，就能达到最 小的热量损失和最大的燃烧效率。 3 1 4 炉膛负压的监测、控制 炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持 在2 0 - - 4 0 p a 的范围内。如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷火，既影响环境卫生， 华北电力大学工程硕士学位论文 又可能危及操作人员与设备的安全。负压太大，炉膛漏风量增大，增加烟气带走的 热量损失和引风机的电耗。 3 2 控制系统的功能 3 2 1 监测显示系统 监测显示系统的功能是对锅炉主要运行参数的实时监测，对重要参数进行超限 报警。锅炉的监测参数主要有：汽包水位、汽包压力、炉膛负压、炉膛出口烟温、 排烟温度、省煤器出口水温、除氧器水位、除氧器压力等。 3 2 2 回路控制系统 自动控制系统包括汽包水位控制、燃烧控制、过热蒸汽温度控制等。 1 汽包水位控制 控制采用三冲量控制，即以汽包水位、蒸汽流量和给水流量作为控制系统的输 入信号，系统的输出为给水阀控制信号，从而控制汽包水位高度。 2 燃烧控制 燃烧控制实现对燃料量、送风量、炉膛负压的控制。送风量和炉膛负压的控制 分别以送风量和炉膛负压反馈作为控制系统的输入信号，并根据输入信号的偏差控 制送风流量和引风流量。送风量控制的给定值由燃料流量信号产生，以保证燃烧经 济性；同时，燃料流量信号也作为炉膛负压控制的前馈信号，以加强系统的跟随性。 3 2 3 报警及保护系统 1 。报警系统 报警系统对重要参数进行超限报警。锅炉的报警参数有：汽包水位、汽包压力、 炉膛负压、排烟温度等。 2 保护系统 保护系统主要是在被控参数超高( 低) 限时，使自动控制系统保证锅炉设备的 安全。保护系统的功能由计算机系统和保护装置共同实现，当参数超高( 低) 限时， 计算机系统显示引起保护动作的参数，产生保护切换指令和声响指令。同时，相应 的保护装置动作。 3 3 控制对象的动态特性 3 3 1 锅炉控制对象的特性 从自动控制角度看，控制对象特性主要有三个参数，即放大系数k o 、时间常数 9 华北电力大学工程硕士学位论文 t 和滞后时间t 钉。 l 放大系数 被控制对象有两个通道，一是控制通道，二是干扰通道。两个通道各有静态、 动态特性，如控制通道的放大系数为k 0 ，干扰通道的放大系数为k f ，它们是不同 的，须分开进行讨论。 ( 1 ) 控制通道的放大系数k o 的意义和影响 放大系数k 0 是对象的静态参数，它是在新、旧稳定的情况下，对象输出与输 入差值的比值系数，即 岛= 产( 3 - 1 ) 式申缈对象原来的平衡状态与新的平衡状态输出的变化量 凹新、1 日平衡状态对象输入量的变化量 括号内0 0 是表示时间即t = 的意思，理论上过渡过程要在0 0 时间才能真正达到 新的稳定。 概括k 0 的定义有如下结论： 放大系统是反映静态特性的参数，它反映了达到稳定状态后的情况。 由于实际生产设备，对象的静态特性往往是非线性的，在不同的负荷下，放大 系数很可能不一样，因此，只有在规定的工作点和小扰动的条件下，才能把k o 看 成是一个常数。 ( 2 ) 干扰通道放大系数k f 的意义及影响 干扰信号经过干扰通道对被控制参数施加影响。如在开环条件下，干扰作了阶 跃变化么f ，被控参数的最终变化量是么y ( o o ) ，则么y ( ) 与么f 的比值就称为 干扰通道的放大系数为 弓：掣 ( 3 2 ) - 一1 7 - p ， k f 对控制过程的影响是很明显的，在同样的么f 作用下，k f 越大，将使被控参 数偏离给定值越远。即使构成闭环控制系统，最大偏差也会较大些。 在一个控制系统中，干扰因素往往不止一个，从静态特性k f 看，我们应该着 重注意较大的干扰。尽管干扰是客观存在的，但对较大的干扰影响必须设法排除， 以保证控制质量。 2 时间常数 过渡过程是一个运动过程，用k 0 只能分析静态特性，即过程最终结果。至于 运动过程的情况，须从动态特性分析，时间常数是描述动态特性的参数。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 时间常数t 是说明被控制量变化快慢的参数。根据特性曲线求取时间常数的方 法，如图3 1 所示，由0 点作特性曲线的切线，该切线与新的稳定值的交点随对应 的时间，成为对象的时间常数。由此可看出，所谓时间常数，乃是对象受到阶跃干 扰作用后，被控制参数以初始变化速度达到新的稳定值所需要的时间。 一般来讲，时间常数t 小，则对象惯性小，被控制量变化速度大，不易控制。 因为被控制量变化快，势必要求系统各组成环节反应灵敏，控制及时迅速，这样才 能得到好的效果，但控制速度大，又使系统不易稳定，这是生产上所不希望的。时 间常数t 大，则控制过程越缓慢，说明对象的惯性大。所以，时间常数t 是表示对 象惯性大小的物理量。 h h 图3 1 时间常数t 的求法 3 滞后时间 在自动控制系统中，调节机构动作后被控制参数并不能立即随之变化，要迟后 一段时间才开始变化，该时间间隔在白控技术中称为“滞后时间，常用t 表示。对象的滞后有两种，即纯滞后和容量滞后，两者之和称为滞后时间，对 于单容量对象，只有纯滞后。 纯滞后t0 是指单容对象中存在的纯滞后，是由于容量的物质或能量不能立即 布满全部对象之中而产生的，如图3 2 所示。 日 华北电力大学工程硕士学位论文 容量滞后t 。是对于多容对象的，如图3 3 所示，它的特性曲线存在慢一快一慢的 形式，容量间的物料量或能量的传递形成容量滞后。滞后时间的大小还与对象的结 构、材料等方面有关。通常把纯滞后与容量滞后之和称作滞后时间t ，t = t 。+ t 。 8 b c c - 2_二二二，：；：二：；：兰)；，!-i-l klk i 一j 【h 图3 3 楗对象特- 幽i j j 线 综上所述，放大系数k 用来表征对象静态特性的参数，而时间常数t 和滞后时 间t 都是用来表征对象受干扰后被控参数是如何变化的，因此它们是反映对象动态 特性的参数。最后还应指出，对象的特性还与负荷变化有关。所谓负荷，是指对象 的生产能力或运行能力。对象在不同负荷下，它的特性参数是不同的。在设计自控 系统时，应考虑到负荷变化的影响，使系统各组成环节能适应对象负荷的变化，保 证控制质量的要求。 3 。3 2 汽包水位控制系统调节对象的动态特性 汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包液位 就恒定不变。影响锅炉液位的因素较多，概括起来有给水量( g ) 、蒸汽流量( d ) 、 燃料量( m ) 、汽包压力( p ) 等等。其中，汽包压力的变化，不直接影响液位，而 是通过压力升高时“自凝结”和压力降低时“自蒸发”过程引起液位的变化所引起， 故可归并到其它因素中；因此，主要是给水量和蒸汽流量因素影响液位的变化哺1 。 如果只考虑主要扰动，那么汽包水位对象的动态特性可表示为： 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 五乃雾+ 乃警= ( 鲁+ 七矿) ( 乃害+ 幻坳) ( 3 3 ) 式中五，7 2 时间常数； 7 给水流量项时问常数； 乃蒸汽流量项时间常数； k w 给水流量项的放大系数， 岛蒸汽流量项的放大系数； i j l = 掣( h o 为稳定情况下的水位， a l l 为水位高度变化) ， v w - - 石a w ( 矽为给水流量的变化，d 麓h 为最大蒸汽负荷量) i 峋= 姜生( a d 为蒸汽负荷变化) 。 1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性： 给水流量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变化，那么在给水流量发生变化时， 汽包液位对象的微分方程可以表示为： 乃乃雾+ 五鲁= 7 盅+ 足妒( 3 - 4 ) 经拉氏变换后可得： 瓦己妒日( + 五s h ( s ) = 丁v 咿( 2 ) + k w v “回 ( 3 5 ) 从式( 3 5 ) 可方便地得到汽包液位在给水流量作用下的传递函数为： w o l ( 耻器= 淼 ( 3 - 6 ) 对于4 # 锅炉这样的中压锅炉，上式中的t w 的数值很小，常常可以忽略不计， 因此式( 3 - 6 ) 可进一步改写为： 州驴器= 两( 3 - 7 ) 式中= 宰反应速度，即给水流量改变单位流量时液位的变化速度， 一 竿( 咖) 蒸发面以下的水容积( 辫3 ) 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线如图3 4 所示。由于给水温度比汽包内 饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量，这使得水 位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位就由于汽 包中贮水量的增加而逐渐上升。最后，当水位下汽泡容积不再变化时，水位变化就 完全反映了由于贮水量的增加而上升。因此，实际水位曲线如图中h 线，即当给水 量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传 递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联，可表示为： 黑：去窖 ( 3 8 ) 矿“s )瑙 、7 式中t a = 1 8 水位反应时间 t 给水流量扰动下的纯滞后时间 给水温度越低，时滞一c 越大，对于非沸腾式省煤器的锅炉，c = 3 0 1 0 0 s 。 w h 图3 4给水! ；氚量作用下水位阶跃响应曲线 2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性： 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性( 假定给水流量不变化的情况) ，其微分方 程为 死乃菩+ 乃警：( 号+ 硒v 刍) ( 3 - 9 ) 拉氏变换后可得 矗t 2 2 2 h ( 研+ 五z h ( z ) = 一 s ( + 岛( s ) 】 则其传递函数为 吲耻器一揣 上式可以用两个动态环节的并联等到效，即 1 4 ( 3 1 0 ) ( 3 11 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 吲= 器一去+ 备 仔 式中 瞒= ( 岛疋一) ，五 瓦= 7 1 岛 在蒸汽流量d 扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3 5 所示。当蒸汽流量d 突然 增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量d 大于给水量w ，水位应下降，如图中曲 线h 。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量增加，瞬时间必然导致汽包压力下降。汽包 内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化曲线如图中 h 2 所示。而实际显示的水位响应曲线h 为h 。+ h 2 。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时， 虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后 再下降。( 反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升) 。这种现象称之为“虚 假水位。当负荷突然变化时，水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的， 图中h 。的时间常数只有1 0 2 0 s 。 d h 厂 强 步、 一 心? 图3 5 蒸汽流量扰动作用下的水位响应曲线 “虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关，一般l o o t h ，- - 2 3 0 t h 的 中高压锅炉，当负荷变化1 0 时，“虚假水位可达3 0 4 0 r i o n 。这种现象属于反向特 性，这给控制带来一定困难。我们在水位调节p i d 中，要加适合锅炉变化特性的p i d 输 出滤波，用以解决这种虚假水位现象。 3 3 3 锅炉燃烧系统控制对象的特性 锅炉汽包蒸汽压力是燃烧系统控制对象的主要被调量，引起蒸汽压力变化的因素很 多，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况变化的原因。它的主要 扰动是燃料量的改变( 称为内扰动) 和蒸汽流量的改变( 称为外扰动) m 。 1 燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性( 内扰特性) 锅炉在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变，几乎 华北电力大学工程硕士学位论文 没有迟延和惯性，即为比例环节。而蒸发部分可以看作是一个储热量的容积，反映储热 量多少的主要参数是汽包压力p 。当炉膛发热量q 和蒸汽流量d 所带走的热量不相等时， 汽包压力p 就要发生变化，其关系式为： q d = c 鲁 ( 3 - 1 3 ) 式中q _ - 单位时间内锅炉炉膛发热量； 卜蒸汽流量( 用热量表示) ； c 锅炉蒸发部分的容量系数，即汽包压力变化一个单位时，锅炉蒸发部分储热 量的改变 勿f 锅炉汽包压力对时间的变化率。 从上式可以看出，蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供汽条件有关。如果用汽量d 不变，而燃料量改变产生内扰时，蒸汽压力成积分规律变化，蒸汽压力变化的阶跃反应 曲线如图3 6 所示。 b b 图3 。鹬鳜蹁篮秣：囊燃料量阶跃扰动b 作用下，蒸 汽压力的反应曲线 如果用汽设备的调节阀开度不变，则随着汽压p 的升高，蒸汽流量也将增加，这 时蒸汽压力成指数规律变化，它的反应曲线如图3 7 所示。从图中可知，当蒸汽流量多 带走的热量等于燃料增加的热量时，蒸汽压力又在新的数值上稳定下来，系统达到新的 平衡。 2 蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性( 外扰特性) 蒸汽流量改变时对蒸汽压力扰动称为外扰。外扰有两种情况，一种是负荷设备的蒸 汽阀门开度改变，另种是负荷设备用汽量的突然改变所引起的。 如果负荷设备的蒸汽调节阀开度突然改变，锅炉的汽压也随即改变，其反应曲线 如图3 8 所示。当m d 突然增大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量d 立即增加d 。 但是由于燃料量没有增加，因此汽包蒸汽压力逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也逐渐 减小，最后蒸汽流量恢复原值。即燃料量不改变，在平衡状态时，锅炉供应的蒸汽流量 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 也不会改变。至于阀门开度增大后，短时间增加的蒸汽量是依靠锅炉蒸发部分储热量减 少( 压力降低) 放出来的。 图3 8 蒸汽阀 开度阶跃变化时，锅炉汽压压力的反应曲线 外扰的另一种情况，是当负荷设备蒸汽用量突然增加时，汽包蒸汽压力的反映 曲线如3 9 图。从图中可以看出，汽包蒸汽压力随蒸汽流量的增加而下降。如果蒸 汽流量继续保持增大后的数值，由于燃料量没能增加，热量不能平衡，所以蒸汽压 力一直下降，直到改变燃料量，使其产生的热量与蒸汽流量相平衡时，才能恢复保 持锅炉的蒸汽压力。 d 现 p b 0 图3 9 蒸汽流量变化时蒸汽压力的反应曲线 路膛负压和燃烧经济性指标是通过引风量和送风量进行控制的。当送风调节阀 门和引风调节阀门开度改变后，这两个被控制量立即改变，它的动态特性可以认为 是比例特性。 3 综上所述，可得出如下结论： ( 1 ) 在燃料量改变时，对于一台锅炉的汽压对象，它的动态特性为单容积分 环节与具有传递滞后的一阶滞后环节的串联，等效纯滞后( 传递滞后) 时间不长， 一般为1 0 2 0 s 左右，因此，根据蒸汽压力的变化，去调节燃料量能够及时而有效 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 地控制蒸汽压力，并适应负荷的需要。在改变燃料量的同时，应协调地改变送风量 和引风量。 ( 2 ) 蒸汽压力控制对象的动态特性，随着负荷大小而变，因而平稳操作是使燃 烧系统运行良好的重要条件，否则需要考虑负荷变化的动态校正。 ( 3 ) 为了使锅炉承担规定负荷，必须正确而又快速地测量燃烧率( 燃料量和 送风量) ；为了保证经济燃烧，必须准确而又快速地测量反映燃烧的经济性指标。 这些问题的妥善解决，是实现燃烧系统自动控制的关键。 3 4 本章小结 本章阐述了锅炉控制系统的任务，提出了锅炉控制系统应有的功能以及具体要 求，并研究各功能之间的关系，为了更好地设计出具有针对性、满足实际控制要求， 分析了锅炉控制系统控制对象的动态特性，为控制系统的进一步设计作了必要的准 备。 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章系统设计的基本思想与方案 设计电厂自动控制系统是一件复杂的工作，涉及到自动控制理论、计算机技术、 检测技术及仪表、通信技术、电气等。其中理论设计工作包括建立被控对象的数学 模型；确定控制系统的性能指标，寻求满足该性能指标函数的控制策略；选择适当 的软件平台及语言；进行硬件设计，并对硬件提出具体要求等。除了上述的设计任 务外，还包括提出整个计算机控制系统的技术经济指标；进行系统的体系结构、相 应的计算机网络和数据通信设计；建立相关数据库等。电厂自动控制系统从设计到 实施的整个过程包括：总体方案的设计，计算机软硬件及仪表的选型，控制系统的 开发、安装、调试、工程的验收和投入使用等等。本章叙述了系统设计的基本思想 与方案。 4 1 系统设计的原则和方法 4 1 1 系统设计的原则 1 安全可靠 工业控制计算机与一般的科学计算或管理的计算机虽然本质上没有什么不同， 但由于生产现场的恶劣环境、周围的各种干扰和不能间断进行的控制任务，对工业 控制计算机在可靠性与安全性上的要求大大高于一般的计算机。 首先，选用高性能的工业控制计算机。工控机在整机的防振动、耐冲击、防尘、 抗高温、抗电磁干扰等方面往往针对现场生产的特点，采用了特殊的处理措施，保 证系统在恶劣的工业环境下仍能正常运行。 其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如：异常报警、事 故预测、故障诊断与处理、安全连锁、不间断电源等。 为了预防计算机出现故障，后备装置是必需的。对一般的控制回路，可选用手 动操作作为后备。对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。 2 操作维护方便 操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握。尽量采用图示与中文操作提 示，对重要参数要设置一些保护性措施。 维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构， 便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员 检查。另外配置诊断程序，用来查找故障。 3 实时性强 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并在规定的时 限内做出相应的处理。 4 通用性好 系统设计时应考虑能适应各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要 求灵活构成系统。这就要求系统的通用性要好，并能灵活地进行扩充。 工业控制机的通用灵活性体现在两方面，一是硬件模块设计采用标准总线结构 ( 如p c 总线) ，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板 就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开 发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。 5 经济效率高 计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比。 4 1 2 系统设计的方法和步骤 1 确定任务 在进行控制系统设计之前，必须对锅炉生产过程的工作情况进行深入的调查和 分析，根据实际应用中提出来的具体要求，确定整个系统所要完成的任务。为要完 成这些任务，计算机必须具备哪些功能，需要多少输入输出通道，使用什么样的外 围设备等等，并画出系统框图。 2 设备选择 设计任务确定之后，首先应对系统所需要的硬件做出初步选择。设计人员只需 要根据应用要求来选择系统所需要的功能部件，而且可以选择不同的硬件方案进行 比较。 3 开展设计 在设计阶段，必须认真考虑硬件和软件的比例问题。因为硬件和软件有互换性。 在硬件完成的功能也可以用软件来完成。 4 系统调试和测试 计算机系统装配好以后，必须对系统进行调试。通过调试排除故障，必须进一 步对设计所要求的全部功能进行测试和评价。 4 2 锅炉控制系统的原理 锅炉控制系统的原理设计是整个控制系统设计的核心，它直接关系到整个控制 系统的性能，它的设计是根据系统的动态对象来进行的。 锅炉控制的难点主要集中于水位控制和燃烧控制上。汽包液位受给水压力和蒸 汽压力等外界因素干扰现象严重。而同时，锅炉的燃烧过程是一个非线性时变多变 华北电力大学工程硕士学位论文 量耦合的复杂过程，受燃料量、送风量等诸多因素影响，燃烧的最优风燃料比是动 态的，风燃料比必须随负荷等因素的变化而变化，才可使燃烧效果始终保持在最佳 状态。 目前，锅炉汽包液位控制的理论和技术基本上已经比较成熟。但是，锅炉的燃 烧检测需要经过复杂的热工检测，很难实现在线检测、在线控制。因此，可以这么 说，目前锅炉控制的核心问题就是研究如何提高燃烧系统经济燃烧，如何对锅炉燃 烧过程进行最有效的控制曲3 。 4 2 1 锅炉汽包水位控制的设计 给水调节系统的被调参数是汽包的水位h ，调节机构是给水调节阀，调节流量 是给水流量g 。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量d 、炉膛热负荷燃料 量m 、给水量g 由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后，因此采用闭环调节系统。 1 调节信号的选择 汽包水位控制的调节信号通常有三种：以水位为唯一调节信号的单冲量调节系 统；以蒸汽流量和水位作为调节信号的双冲量调节系统；以给水流量、蒸汽流量和 水位为调节信号的三冲量调节系统。 ( 1 ) 单冲量水位控制 单冲量水位控制是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经 变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调 节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内，如图4 1